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作 者： ■ 重慶大學 顧誠 羅建</P><P> 摘要：PPP是TCP/IP協(xié)議族中的重要協(xié)議之一，它能適應多種傳輸介質，安全性好，適合在嵌入式系統(tǒng)中使用。本文結合TMS320C6x的網(wǎng)絡開發(fā)包，研究基于PPP的嵌入式網(wǎng)絡接口設計方案，介紹一種以低層PPP API為基礎的設計方法。</P><P> 關鍵詞：PPP 嵌入式系統(tǒng) 網(wǎng)絡 TCP/IP TMS320C6x</P><P> <BR> 引 言：<BR> 隨著嵌入式應用的普及，嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)問題日益引人關注。在信息化進程中，如何實現(xiàn)資源共享已經(jīng)是幾乎所有電氣設備必須回答的問題，嵌入式系統(tǒng)也不例外。</P><P> 在傳統(tǒng)的工控領域，大量以單片機為代表的嵌入式設備，如儀器儀表、數(shù)據(jù)采集和顯示設備、過程控制設備等，面臨更緊迫的聯(lián)網(wǎng)需求。因為在工業(yè)化進程中，信息化正在發(fā)揮越來越重要的作用，而網(wǎng)絡則是信息共享的基礎。在工業(yè)自動化領域，由于應用環(huán)境千差萬別，如何實現(xiàn)設備聯(lián)網(wǎng)也見仁見智，方案之間差異很大。由于近幾年電子技術的發(fā)展，以TCP/IP為代表的通用網(wǎng)絡技術和標準在工業(yè)環(huán)境和生產(chǎn)現(xiàn)場的應用日益增多，開始逐漸被人們接受。但是，TCP/IP協(xié)議的真正優(yōu)勢在上層，它適合于大范圍的信息共享。如何將品種繁多的現(xiàn)場設備聯(lián)網(wǎng)并非TCP/IP所長，為了解決這個難題，人們想到了PPP（Point to Point Protocol）。</P><P> 在TCP/IP協(xié)議族中，PPP本來是用來實現(xiàn)遠程聯(lián)結的，其特點是適應多種傳輸介質和可靠性高。在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，這是兩個被非�？粗氐膬�(yōu)點，所以采用PPP作為嵌入式系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)引起廣泛的關注[1]。為了利用PPP的優(yōu)點，一些系統(tǒng)甚至在已經(jīng)具備以太網(wǎng)的環(huán)境中仍然采用PPP，這就是所謂的以太網(wǎng)承載PPP技術（PPPoE）[2]。</P><P> 1 TMS320C6x網(wǎng)絡開發(fā)環(huán)境對PPP的支持</P><P> 為了加速其高檔DSP的網(wǎng)絡化進程，TI結合其C6000系列推出了TCP/IP NDK (Network Developer’s Kit)。該開發(fā)包采用緊湊的設計方法，實現(xiàn)了用較少的資源耗費支持TCP/IP。從實用效果看，NDK僅用200~250K程序空間和95K數(shù)據(jù)空間即可支持常規(guī)的TCP/IP服務，包括應用層的telnet、DHCP、HTTP等。所以，NDK很適合目前嵌入式系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是實現(xiàn)DSP上網(wǎng)的重要支撐工具。</P><P> 與常規(guī)的TCP/IP應用環(huán)境不同，為了最大限度地減少資源消耗，TI為其NDK采用了許多特殊技巧，重要的有：</P><P> �、� UDP socket和RAW socket不使用發(fā)送或接收緩沖區(qū)；<BR> ② TCP socket使用發(fā)送緩沖區(qū)，接收緩沖區(qū)依配置文件而定；<BR> �、� 低層驅動程序與協(xié)議棧之間通過指針傳遞數(shù)據(jù)，不對包進行復制拷貝；<BR> �、� 設置專門的線程清除存儲器中的碎片和檢查存儲器泄露。</P><P> 要特別注意“低層驅動程序與協(xié)議棧之間的通信”。因為在嵌入式系統(tǒng)中，低層驅動程序和應用程序一樣均需要開發(fā)者自行設計。也就是說，在以NDK為基礎的開發(fā)中，開發(fā)人員需要分別設計低層驅動程序和應用程序，這兩部分程序通過NDK提供的TCP/IP包發(fā)生關聯(lián)。程序的執(zhí)行過程是：應用程序調用TCP/IP包，TCP/IP包再調用低層的驅動程序。</P><P> 在NDK中，對低層驅動程序與TCP/IP包之間的接口作了明確規(guī)定。換言之，低層驅動程序必須符合接口約定，其要點是： </P><P> �、� 由低層驅動程序調用TCP/IP包函數(shù)創(chuàng)建PPP連接實例，在連接實例中，以回調函數(shù)的形式將用于處理數(shù)據(jù)發(fā)送的函數(shù)名傳遞給TCP/IP包；<BR> �、� 當TCP/IP包有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，直接調用PPP創(chuàng)建時由低層驅動程序傳遞來的函數(shù)名；<BR> �、� 當?shù)蛯域寗映绦蚪邮盏骄W(wǎng)絡數(shù)據(jù)時，調用TCP/IP包函數(shù)發(fā)送到IP層。<BR> 低層驅動程序直接面向硬件，為了適應硬件的多樣性，在NDK中也提供了多種實現(xiàn)PPP的方法。</P><P> 2 PPP低層驅動程序的任務和實現(xiàn)方案</P><P> PPP低層驅動程序在硬件和TCP/IP包之間傳遞PPP幀；但是，面向硬件和TCP/IP包的PPP幀是不同的。面向硬件的PPP幀由六個字段組成：</P><P> �、� Flag標志（7E），1字節(jié)；<BR> �、� Address地址（FF），1字節(jié)；<BR> �、� Control控制（03），1字節(jié)；<BR> �、� Protocol協(xié)議，2字節(jié)；<BR> ⑤ Payload凈荷，小于1500字節(jié)；<BR> ⑥ CRC檢查和，2字節(jié)。</P><P> 而面向TCP/IP包的PPP幀則只有④和⑤兩個字段。所以，PPP低層驅動程序的任務可以歸納為：在硬件和TCP/IP包之間提供數(shù)據(jù)通道，在物理上實現(xiàn)鏈路層上的信息發(fā)送與接收，在邏輯上對PPP幀進行處理和加工。</P><P> 在NDK中，通過TCP/IP 協(xié)議棧提供了三套實現(xiàn)PPP的函數(shù)。即低層 PPP API、HDLC API和PPPoE API。其中低層PPP API 只能從內核層調用，用戶應該非常熟悉內核的操作，如llEnter()/ llExit() 函數(shù)對等，對軟件開發(fā)的限制較大，但應用范圍寬廣。HDLC API 可在用戶程序中調用，由TCP/IP 協(xié)議棧實現(xiàn)，配合HAL層的串行驅動程序llSerial，提供在常規(guī)串口上的PPP能力，應用范圍有一定局限；而PPPoE API是提供基于以太網(wǎng)的PPP接口，對硬件端的要求更加嚴格。</P><P> 為了使開發(fā)的PPP低層驅動程序具有較寬的適應能力，我們選擇低層 PPP API作為開發(fā)的基礎。低層 PPP API的函數(shù)包括：<BR> pppNew() 創(chuàng)建一個PPP會話連接；<BR> pppFree() 釋放一個PPP會話連接；<BR> pppTimer() 1s的定時器函數(shù)；<BR> pppInput() 發(fā)送已接收到的PPP 輸入緩沖區(qū)。</P><P> 在低層 PPP API中最重要的是創(chuàng)建函數(shù)。通過對pppNew()的深入研究，我們可以把握住PPP低層驅動程序設計的關鍵之處。pppNew()的接口為：<BR> HANDLE pppNew(HANDLE hSI ， uint pppFlags ，uint mru ， IPN IPServer ， IPN IPMask ， IPN IPClient, char *Username, char *Password, UINT32 cmap, void (*pfnSICtrl)(HANDLE， uint ， UINT32, HANDLE ));</P><P> pppNew包含有許多參數(shù)，重要的有：hSI 供回調函數(shù)使用的句柄、pppFlags 連接選項標志、mru 最大接收單元數(shù)以及網(wǎng)絡地址和子網(wǎng)掩碼、用戶名稱和口令等。其中，最重要的參數(shù)是回調函數(shù)的指針：pfnSICtrl 。當TCP/IP包需要通過PPP發(fā)送數(shù)據(jù)時，將使用該指針提供的函數(shù)。<BR> <BR> 回調函數(shù)由PPP低層驅動程序的開發(fā)人員負責編寫，但它的接口是由pppNew的參數(shù)決定的�；卣{函數(shù)的接口界面為：</P><P> void SIControl( HANDLE hSI ， uint Message , UINT32 Data, HANDLE hPkt)</P><P> 參數(shù)的含義為：hSI與特定PPP連接會話（由pppNew創(chuàng)建）相聯(lián)系的句柄，Message描述 PPP 事件的消息代碼，Data關于消息代碼的附加信息。hPkt是最重要的，當消息代碼為SI_MSG_ SENDPACKET時，表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的句柄。</P><P> PPP 通常在三類情況下調用該回調函數(shù)，即：<BR> ① SI_MSG_CALLSTATUS PPP 的連接狀態(tài)已經(jīng)改變；<BR> �、� SI_MSG_SENDPACKET PPP 正在請求一將數(shù)據(jù)幀編碼和傳輸；<BR> ③ SI_MSG_PEERCMAP LCP 已經(jīng)收到對等的 32 位異步字符映射。</P><P> 3 編程舉例</P><P> 下面給出兩段代碼，說明在PPP低層驅動程序中如何接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。<BR> 接收數(shù)據(jù)通過pppInput函數(shù)實現(xiàn)，核心代碼如下：<BR> HANDLE hPkt;<BR> HANDLE hFrag;<BR> uint Offset,ValidSize;<BR> UINT8 *pb;<BR> // 生成1500字節(jié)payload包<BR> if( !(hPkt = IFCreatePacket( 1500, 0, 0 )) ) return( 0 );<BR> hFrag = PktGetFrag( hPkt ); //得到此包的存儲器碎片 <BR> pb = FragGetBufParams( hFrag, 0, 0, 0 ); // 得到包頭指針<BR> Offset = PktGetSizeLLC( hPkt );<BR> if( Offset <= 2 ) Offset = 0;<BR> else Offset-=2;<BR> pb += Offset; // 置pb指針到寫數(shù)據(jù)開始處<BR> // 利用指針“pb”向數(shù)據(jù)包中填充數(shù)據(jù)；hFrag是向PPP傳<BR> //遞的句柄<BR> FragSetBufParams( hFrag, PACKETSIZE, Offset );<BR> return( hPkt );</P><P> 發(fā)送數(shù)據(jù)的情況要復雜一些，需要使用回調函數(shù)。回調函數(shù)的結構如下：</P><P> void SIControl ( HANDLE hSI, uint Msg, UINT32 Aux, HANDLE hPkt )<BR> {…switch( Msg )<BR> {<BR> case SI_MSG_CALLSTATUS:<BR> if( Aux >= SI_CSTATUS_DISCONNECT )<BR> { // Close PPP<BR> if( hSI→hPPP )<BR> {<BR> hTmp = hSI→hPPP;<BR> hSI→hPPP = 0;<BR> pppFree( hTmp );<BR> }<BR> break;<BR> case SI_MSG_PEERCMAP:<BR> break;<BR> case SI_MSG_SENDPACKET:<BR> // 確認數(shù)據(jù)包有效<BR> // 取數(shù)據(jù)緩沖區(qū)參數(shù)<BR> // 計算“凈荷”（payload）的起始地址<BR> // 發(fā)送數(shù)據(jù)<BR> // 釋放數(shù)據(jù)包<BR> break;<BR> }<BR> }</P><P> 結 語</P><P> 自1994年PRECISE公司在TMS320C3x上推出TCP/IP開發(fā)包以來，如何在以DSP為硬件環(huán)境的嵌入式系統(tǒng)中支持TCP/IP就一直引人關注。隨著硬件水平的提高和應用的深入，基于DSP的TCP/IP應用日漸增多。由于嵌入式系統(tǒng)的特殊應用環(huán)境，它的鏈路層情況非常復雜,所以開發(fā)方法與常規(guī)的網(wǎng)絡開發(fā)方式有稍許不同，NDK自身已體現(xiàn)出了這種差異。目前，將PPP應用在嵌入式系統(tǒng)中仍是一種新的、積極的嘗試。在NDK中，提供了多種方式支持PPP通信。我們認為，在操作系統(tǒng)層面開發(fā)基于PPP的應用時，應該采用低層 PPP API，這樣可以適應更多的應用需求和嵌入式應用環(huán)境。</P><P> 參考文獻<BR> 1 關宇東，陳學泉，朱繼明. 嵌入式單片機PPP協(xié)議的應用研究，電子技術應用，2003（2）: 18~21<BR> 2 Texas Instruments Incorporated. TMS320C6000 TCP/IP Network Developer’s Kit (NDK) Programmer’s Reference Guide，2001(10)<BR> 3 Forouzan Behrouz A. TCP/IP Protocol Suite. The McGraw-Hill, 2000</P><P>
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